JP2015158944A - 身体又は物体の動きを感受する制御インタフェースのためのデバイス及び方法、並びに、前記デバイスを組み込む制御機器 - Google Patents

Abstract

【課題】検出空間内で身体又は物体の少なくとも一部の動きを感受する制御インタフェース（特に、ジェスチャ及び／又は触覚及び／又は音声）のためのデバイスを提供する。
【解決手段】デバイスは、検出面４と、測定電極２を備える少なくとも１つの容量センサと、測定電極に近接して配置される導電材料のガードと、容量センサから発せられる信号を処理するための電子手段とを含む。測定電極の活性面は互いに独立しており、そして、励磁及び処理の電子手段は、これらの測定電極に対して互いに独立して問い合わせする。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体又は物体の動き又は音声を感受する、場合により音声制御に組み合わせられる制御インタフェースのための、特に、ジェスチャ及び／又は触覚のためのデバイスに関する。更に、本発明は、このデバイスにおいて実行される制御インタフェースのための方法、並びに、前記デバイスを実行する制御機器にも関する。

本発明の分野は、特に、以下に限定されるものではないが、接触までの長い距離で、身体、手、指、又は、物体の動きをリアルタイムで読み取ることを可能にする、ジェスチャ及び／又は触覚及び場合により音声のマンマシンインタフェースであって、１つ以上の制御を行うためにこれらの動きが音声要求に組み合わされるか、又は、組み合わされないマンマシンインタフェースである。

いわゆる仮想的な、すなわち、ジェスチャ及び／又は触覚及び音声のマンマシンインタフェースは、ユーザが機械的センサ（例えば、キーボードキー又はスイッチ）に作用するインタフェースとは対照的に、殆どの場合、ジェスチャインタフェースの分野では３Ｄカメラであり、触覚インタフェースの分野では活性面であって、しばしば透明で、ディスプレイスクリーンに組み込まれる。これらの触覚インタフェースは、例えばスマートフォン、ホームオートメーション、又は、ゲームインタフェースなどの複数の産業用途及び消費者用途において「タッチパッド」の名前で広く行き渡っている。

スクリーンは、例えばキーボード又はソフトウェアインタフェースを表示でき、その画像はユーザからの動作に応じて変化する。ユーザからの動作は、一般に、制御を行うために、スクリーン表面上への指又はスタイラスの移動、タッピング、あるいは更には長期の接触からなる。ごく最近では、コミュニケーション及びエンターテインメント情報技術の収束から生じるデジタル製品の益々高まる複雑さを満たすために、いわゆるジェスチャインタフェースが開発された。これらのインタフェースは、殆どの場合、最大で５メートルの長い距離でスクリーンと相互作用するための身体又は手の動きを解釈できる３Ｄカメラ及び画像処理に基づいている。

仮想制御のうちの１つとして、音声により要求を行うことを可能にする音声制御について言及することができる。

既存の触覚技術のうちでは容量性技術が頻繁に使用される。その理由は：
− これらの技術が、例えば抵抗性技術とは異なり、スクリーン表面に対して機械的な作用を何ら及ぼす必要がなく；
− それらの技術が、スクリーン表面に直接に組み込まれるセンサネットワークによるスクリーン表面のメッシングによく適合しているからであり、それにより、例えば検出面に対して隆起した送信器−受信器のネットワークを必要とする光学技術を用いるよりも非常にコンパクトで頑丈な一体化が可能になる；
からである。

仮想インタフェースでは、接触を何ら伴うことなく新たなマンマシン相互作用モードを生み出すことが可能な近接検出機能を有することが益々試みられてきている。この場合、センサは、数センチメートル内の変位又は形状を、それらを制御へと変換できる十分に正確で且つ確固たる態様で検出できなければならない。

非常に長い距離（４０センチメートルを超える）で動きを正確に検出する際に光学技術を省くことができない場合には、容量性技術が近接接触を伴わないインタフェースに非常によく適合しているのが分かる。これは、特に、死角領域を伴わずにあるいは外部デバイス（カメラ）を必要とせずに非平面状の活性面（例えば、スクリーン）に全てのセンサを組み込むことができるからである。

容量性触覚インタフェースのうちで最も使用される技術は、一般に、電荷移動原理に基づいている。これらの技術は、ピコファラドのオーダーの感度を得ること可能である、ジェスチャインタフェースを形成するようになっていない。実際に、それらの感度は指の接近を検出できるようにしない。これは、生み出される容量が数百ピコファラドを超えないからである。このタイプのセンサ及び電子機器に存在する浮遊キャパシタンスは、任意の感度向上を妨げる。

更に、これらの技術は、電磁的障害、浮遊電荷、及び、電極を覆う誘電体の電気伝導に対して非常に感度が高い。空気の相対湿度が６０％を超えると、殆どの誘電体が僅かに導電するようになり、電子機器により生み出される電荷が変えられ、それにより、容量測定が妨げられる。

非触覚容量インタフェースを形成するために使用される技術的解決策のうちで、センサ及び電子機器で浮遊キャパシタンスを大幅に減少することが可能な疑似ガードを実施する解決策が知られている。しかしながら、これらの技術は、多くても１オーダーの大きさの感度しか得ることができず、そのため、指の存在をセンサの高感度面で数ｍｍしか検出することができない。

容量ジェスチャインタフェースに関しては、アクティブガードと共に実施される容量センサがＶｒａｎｉｓｈの文献ＵＳ６８４７３５４から知られている。このアクティブガードは、測定電極の振幅と同一の振幅を有する電圧をガード内で生成する一体型利得増幅器を使用して形成される。

この方法の欠点は、回路の疑似ガードとも呼ばれるアクティブガードを生成して測定電極を励磁するために、増幅器の入力キャパシタンスの総和に対応する浮遊キャパシタンスを電子機器が物理的原理により生み出すという点である。これらの浮遊キャパシタンスは、容易に１ピコファラドに達して、測定されるべきキャパシタンスにつながる。これはこの全ての値の１／１００を表すにすぎない。

更に、キャパシタンス測定が直接的ではない。これは、Ｖｒａｎｉｓｈの電子機器が、その電流を基準レジスタを介して測定することにより、測定されるべきキャパシタンスのイメージを得るからである。このレジスタは、検出の質を大きく低下させる電流の浮遊位相シフト、又は、測定されるべきキャパシタンスを表す信号の復調の浮遊位相シフトをもたらす。他の欠点は、異なる電極間のクロストークレベルである。実際には、各電極は、その利得がほぼ１であるオペアンプによって励磁される。種々の増幅器間の任意の利得偏差は、高い浮遊キャパシタンスを更に引き起こす。

これらの欠点により、物体（例えば、指又は手）の位置を、各々のセンサを用いて、検出し、そして、数センチメートル又は更には数十センチメートルで位置付けることができない。

一方、ジェスチャインタフェースを形成するために実施される容量性技術は、殆どの場合、スクリーン又は少なくとも実質的に平坦な表面に組み込もうとする目的で開発されてきた。センサの構造は、ＵＳ６８４７３５４のような配列であり、グリッドＸ−Ｙとして配置される電極構造とインタフェース接続される。これらの技術は、より複雑な形状を有する表面の器具に十分適合していない。

特に、これらの技術は、機器を備えた平坦な表面に基づかずに例えばキー、ボタンを擬態するあるいはユーザを巻き付けるキャビティ、レリーフ部、波状部を含む他のタイプの形状態様に基づく仮想制御又はジェスチャインタフェースのためのデバイスに殆ど適用できない。この場合、厚さが大きい誘電材料の下側にセンサを種々の形状態様として配置することがあり、そして、センサを互いに独立して配置し且つ管理する必要があることがある。

単一の測定電極を含む容量センサに基づくシステムを開示するＲｏｚｉｅｒｅの文献ＦＲ２８８４３４９が知られている。デバイスは、フローティングブリッジ電子機器のおかげにより、各々の電極を用いて１０ｃｍを超える物体を検出することができる。電極からの測定値は、精査システムによって順次に読み取られる。

しかしながら、可動器具の壁を備えるようなっているこのデバイスは、特に衝突防止用途を対象とするようになっており、ジェスチャインタフェース用途を対象としない。

ジェスチャインタフェースは益々重要になっているが、距離を隔てて動きを検出できる仮想インタフェースでさえ、特に心理的な理由及び安全性の理由により、接触が主流のままである。確かに、一方では、触覚がユーザへの快適さを促進し、他方では、接触が、安全性が重要である動作状況（医療機器、車両）において命令の効率的な検証を可能にする。

本発明の目的は、接触することなく変位の正確な測定により動作を予想でき、そして、表面上での物理作用の検出によりコマンドを正確に認証できるようにしつつ、コンパクトで種々の環境において組み込み可能な、動作を監視し制御を入力するデバイス及び方法からなるジェスチャインタフェース及びジェスチャ・触覚インタフェースを提供することである。

この目的は、身体又は物体の動きを感受する制御インタフェースのためのデバイスであって：
− 検出面と；
− 検出面に面しているか又は前記検出面と実質的に一致する（confondue）活性面を含む測定電極を各々が備えている、少なくとも１つの容量センサと；
− 活性面と実質的に反対側の測定電極の面に少なくとも沿って前記測定電極に近接して配置される、導電材料のガードであって、測定電極の交流（ＡＣ）電位と実質的に同一の交流電位で励磁（excitee）される前記ガードと；
− 電極の活性面と前記物体との間の距離情報を与えるために、測定電極を励磁し、そして、前記容量センサから発せられる信号を処理する電子手段と；
を備える前記デバイスによって達成される。

本発明によれば：
− 測定電極の活性面が互いに独立しており；そして
− 励磁及び処理のための電子手段は、互いに独立して前記測定電極に問い合わせするように更に設定される。

有利には、励磁及び処理の電子手段は：
− 測定電極の活性面に対する身体又は物体の相対的な動きを検出して識別すること；及び
− 前記身体又は前記物体と検出面（４）との接触を検出すること；
の両方を可能にする測定範囲を有することができる。

検出面は、容量センサが物体を検出して物体の距離を測定できる空間部分として画定される。

本発明に係るデバイスを用いて検出可能な物体は、実質的に電導性であり、電気接地（masse electrique）を形成することのできる容量的に検出可能な物体である。これらの物体は、電気的な接続によって必ずしも接地接続されず、当然ながら容量結合を介することもできる。非限定的な例として、生物、手、指、又は、手で保持される導電材料のスタイラスに言及することができる。

本発明に係るデバイスにより、容量センサの位置に対して身体又は物体の表面の形状をいつでも測定することができる。従って、物体又は身体の動きの検出は、非限定的な例では、空間内のその位置、その軌跡、及び、例えば識別目的でのその形状の解析を含む。

有利には、励磁及び処理の電子手段が、少なくとも、ガードの電位に基準付けられる（references）部分にあることができる。

電子機器のこのフローティングブリッジ態様により、浮遊キャパシタンスを除去できる。従って、各センサにより測定されるキャパシタンスは、狙いを定められた物体と電極との間に形成される、正にそのキャパシタンスである。デバイスの感度は、最適化され、非常に分解能が高い距離測定を可能にする。更に、このとき、容量センサ及び関連する電子機器を大きな測定範囲又はダイナミクスを達成するように最適化できる。実際に、各電極を用いて測定されるべきキャパシタンス範囲は、１／１０００ピコファラドから数ピコファラドにまで及ぶことができ、これは、キャパシタンスの点から見て１０００よりも高いダイナミクスである。このダイナミクスにより、電極サイズに関連付けられる実質的に同一のサイド分解能をもって、５ｃｍを超える距離を隔てる遠くの物体（例えば、指）の存在又は位置、並びに、測定電極を覆う例えば誘電体に対するこの指の接触及び圧力を検出することができる。このように、本発明に係るデバイスは、接近する物体あるいはその接近態様を識別することにより動作を予想すること、及び、接触を検出することにより制御を有効にすることの両方を可能にする。

本発明に係るデバイスの他の有利な観点によれば、各々の容量センサは、他のセンサの電極から独立する単一の測定電極を備える。従って、非常に変化に富む形状態様及び表面形状をもって電極を配置することができる。独立している電極は、任意の形状を有する構造に基づくジェスチャインタフェースを形成するための本発明に係るデバイスの特に有利な観点であり、その意味で、それは、平坦な表面又はスクリーン上に配置されるセンサの配列構造に基づく従来技術のジェスチャインタフェースとは異なる。

特定の実施態様によれば、励磁及び処理の電子手段は、容量センサから発せられる測定信号を順次に読み取ることが可能な精査手段を備えることができる。現在精査していない電極をガードの電位に接続できるのが有利である。

この実施態様において、電極は、構成要素の数及びエネルギ消費量を制限するように順次に選択される。現在精査していない電極をガード電位に接続することにより、測定電極の静電エッジ効果を最大限に減らすことができる。

より多くの構成要素を必要とする他の実施態様によれば、各々の電極を電子回（例えば、電荷増幅器）に接続することができる。これらの電子回路は、浮いている電位、従ってガードの電位に基準付けられ、それにより、各電極がその隣の電極のためのガードとして見込まれるという有利な特性を保つことができる。この解決策により、全ての電極でキャパシタンス又は距離を並行して測定できるため、測定速度を高めることができる。

当然のことながら、例えばグループによる読み取りなど、電極を精査するための他の態様を実施することができる。

特定の実施態様によれば、励磁及び処理の電子手段は、集められた電極が単一の測定電極を形成するように、前記測定電極を電気的に集めるための手段を含むことができる。

従って、大きい面積を有する電極を形成することができ、それにより、測定範囲を増大させて、大きな距離を隔てる物体を検出することができる。当然のことながら、電極グループの構成は、電子的に行うことができ、計算手段によって制御できる。測定電極は、物体がパネルから遠く離れているときには測定範囲を広げるために例えば集めることができ、物体が電極に近いときには空間分解能及び物体の三次元位置の精度を向上させるために分割することができる。

有利には：
− 各高感度センサが電極の活性面と指との間の距離を少なくとも３ｃｍ、用途に応じて５ｃｍの距離まで測定できるように、電極の面積を計算することができ；
− 測定電極を柔軟な（souple）プリント回路型の支持体上に形成することができ、ここで、前記測定電極は、電子回路を形成するための従来技術に従って形成され、必ずしも平面とは限らない表面又は表面セットとして配置されることができるものとする；
− 測定電極を硬質（rigide）プリント回路型の支持体上に形成することもでき；
− ガードの電位に基準付けられる励磁及び処理の電子手段を電極と同じ支持体に取り付けることができる。

電子機器の一部がガードの電位に基準付けられていると、電子機器の動作に支障を来す危険を冒すことなく、電子機器のその部分を電極に近接させて配置することができ有利であり、従って、デバイスの統合状態を改善できる。確かに、これらの電気回路が例えば外部接地電位（物体又は指の電位に近い電位）に基準付けられる場合には、これらの回路によって電極の力線が非常に急速に吸収され、デバイスのレンジにより非接触検出を行うことができない。これが従来技術の多くのデバイスにおける主要な問題である。

有利には、ガードに基準付けられる電子機器の部分は、これらの外部システムの基準接地を使用することにより、外部システムと通信することができる。容量電子機器と外部との間の結合及び分離は、例えば、光カプラ又はチョークコイル（インダクタンス）によって行うことができる。ガードに基準付けられる浮いている部分への給電は、ＤＣ−ＤＣ変換器又はチョークコイルによって行うことができる。

本発明の他の観点によれば、デバイスは、測定電極の活性面側に配置される誘電材料を更に備えることができる。この場合、電極と反対側にある前記誘電材料の表面が検出面を形成する。

有利には：
− 誘電材料を電極の活性面と実質的に接触するように配置することができ；
− 誘電材料は、支持力に起因する材料の局所的な薄肉化によって検出面を測定電極へ向けて実質的に変形させることが可能な柔軟な材料を備えることができる。

柔軟な材料を使用すると、有利には、検出面の静止時の位置を越える物体の移動を測定することにより、表面に及ぼされる圧力を検出することができる。

他の実施態様によれば、誘電材料は、支持力によって前記支持力の付与点に応じた角度で測定電極に対して移動できる実質的に硬質プレートを備えることができる。

プレートには、その表面の少なくとも一部に容量性且つ検出可能な電極を設けることができ、それにより、慎重に配置された容量電極によってプレートの変位又は変形を測定できる。このプレートは、例えば、物体又は指の圧力に晒されるキーボードであってもよい。少なくとも２つの容量電極がプレートの電極と対向してこれらの電極からの距離を調整して配置されると、キーボード角度を測定でき、指により押し下げられたおおよその領域を評価できる。

他の構成によれば、第１の測定電極を覆う誘電プレートを備えるアセンブリ、例えばキーボードは、第２の測定電極へ向かう圧力に起因してグローバルに配置することができ、第２の測定電極はこの圧力を測定する。

有利には、これらの第２の電極は、小さな変位に関して最適化された感度を有することができる。

有利には、
− 誘電材料を触り心地が良い質感を有するように選択でき；
− 検出面は制御手段を形成するレリーフ形状を有することができる。

検出面は、平坦であってもよいが、審美性及び人間工学の点において最適な一体化を特に可能にする任意の形状を形成することもできる。例えば、いかに限定されるものではないが、検出面は、コンピュータマウス又は医療機械の制御パネルの一部に似るように球形状又は半球形状を有することができる。

本発明に係るデバイスは、様々な態様に従って、例えば身体障害者用のチェアアームレスト又は車両のダッシュボードに組み込むことができる。それにより、特に、例えば信頼性のために制御電気機械ボタンを置き換えることができる。

非限定的な観点で、検出面を制御パネルに同化させることができる。測定電極は、物体がパネル上で検出されない死角領域を避けるために互いに並列されることが好ましい。それによって、死角領域を意図的に形成でき、この場合には、電極がガード又はグランドに置き換えられ、それにより、隣接する電極の電気力線を偏向させて、電気力線の範囲を減少させるか又は電気力線を変えることができる。

サイド分解能と物体の検出範囲との間で良好なトレードオフを達成するためには、物体の大きさとほぼ同じ程度の大きさの電極サイズを選択することが有利である。例えば、指の検出を最適化するために、１ｃｍ^２〜２ｃｍ^２程度の電極面積を選択するのが有利である。

所望の検出特性に応じて電極形状を適合させることができ、幾つかの電極形状が同じデバイス内に存在できる。例えば、特定の形状、例えば長方形形状を有する電極を制御パネルのエッジに配置して、指又は手がどちらの側で接近するのかを検出することができる。例えば、この場合、デバイスは、人がいずれの側からパネルに近づくのかに応じて、人にとって許容される動作を選択できる。

本発明に係るデバイスは、出力データとして、非限定的な観点で、アナログ測定信号又はデジタル信号、あるいは、直接に物体から電極を分離する距離、あるいは、直接に例えば三次元位置、物体移動解析、物体識別、又は制御コマンドのいずれかを供給することができる。

三次元検出においては、デバイスの各電極を１ピクセルと見なすことができ、物理的空間分解能が電極の面積によって制限される。この空間分解能は、補間数値計算法によってかなり高めることができる。或る方法は、例えば、全ての電極によって「見られる」物体の重心を計算することにある。この理論上の重心は、スクリーン上で見ることができる仮想点になる。これにより、例えば、指又は手などの物体を用いてスクリーン上に表される小さい領域を正確に書き取るか、描くか、又は前記領域に作用することができる。

更に、三次元検出により、デバイスを容量性カメラとして使用することができる。実際に、このシステムにより、各電極を目標物体から分離する絶対距離をリアルタイムで測定することができ、十分な数の電極を用いて、この物体を撮像又は認識することができる。

更に、本発明に係るデバイスは、所望の動作セキュリティを確保するため、物体（又は、指）と検出面（又は、制御パネル）との接触を十分な正確度合で検出するようにもなっている。これを行うため、例えば較正によって検出面の位置が知られていると仮定すると、物体が表面の距離に対応する距離にあることを検出するときに、物体の距離測定から接触を直接に決定することができる。

電極の表面と接触する誘電材料から検出面が形成される有利な実施態様によれば、物体と電極との間のキャパシタンス解析からより確実に接触を検出することができる。確かに、例えば指が誘電面に接触している場合、指と電極との間の電気力線経路に空気が実質的に存在しない。更に、誘電材料は、空気の誘電率よりも高い誘電率、例えばε_ｒ＝３程度の誘電率を有する。その結果、指と電極との間のキャパシタンスは、指が表面に接触しているときには、薄いエアーブレードが残存する場合と比べてかなり高く、そのため、接触をより確実に検出できる。

更に、本発明に係るデバイスでは、電極が誘電材料で覆われないようにすることもできる。この場合には、電極が接触している物体の接地電位に置かれるため、物体と電極との間の接触を検出することができる。

圧力は、電極を覆う実質的に柔軟な又は軟質の（mou）誘電材料で物体（例えば、指）
の押圧を測定することによって有利に測定することができる。測定された距離は、誘電材料中への指の押し下げに実質的に比例する。更に、キャパシティに実質的に反比例する測定された距離変化は、電極を覆う誘電体の比誘電率ε_ｒと掛け合わされ、その結果、指又は物体と誘電体との間に接触が存在すると、距離測定感度が高まる。

圧力を測定するための他の解決策は、及ぼされる圧力が増大するときに、比較的硬質の誘電材料の表面と接触する物体（例えば、指）の支持面積の増大に起因するキャパシタンスの増大を測定することからなることができる。

従って、本発明は、接触することなく、数センチメートル又は更にはデシメートルで、空間内での指又は物体の位置を検出することができ、検出面（例えば、制御パネル又はキーボード）に対する指又は物体の接触を検出でき、そして、この表面に対して指又は物体により及ぼされる圧力を検出することができる。測定は、任意の誘電材料を介して行うことができる。これらの特徴により、非常に高度で審美的な人間工学的制御インタフェースを当初の制御組み合わせの可能性を伴って形成することができる。

例えば、非限定的な観点で、指の動きによってサインを認識することができ、インタフェースの前方に位置する種々の人々により許容されるか又は許容されない動作を制御する目的で、活性面のいずれの側から手が来ているのかを決定することができ、そして、キーボードに対する指の軽い接触又は圧力により主要な制御を有効にすることができる。

当然のことながら、本発明に係るデバイスの使用は、単一の指の検出に限定されず、同時又は同時でない複数の指からの動きから発する制御を考えることができる。

本発明に係るデバイスにより、任意のタイプの誘電体によって、数ミリメートル又は更には数センチメートルの厚さであっても、指の位置を検出できる。この利点により、多数の形状、レリーフ部、色、及び、接触感覚を伴って制御デバイスを設計でき、それにより、前記デバイスの使用勝手をより良くすることができる。例えば、木材、革、セラミック、あるいは、任意のタイプの可撓性又は軟質ポリマー（例えば、シリコン）の性質（qualite）の材料を使用することができる。特に、軟質材料（例えば、シリコン）は、より心
地よい接触感を与えることができる。

衛生又は審美的な理由から、誘電体を容易に交換できることが有利である。この誘電体は洗浄可能又は殺菌可能な材料であることができ、その場合には、本発明に係るデバイスは、衛生状態が問題とされる環境でインタフェースを形成するのに特に適したものとなる。

更に、本発明は、非限定的な観点で、以下に関連することもできる：
− 本発明に係る移動検出のための容量性デバイスを組み込むマンマシンインタフェース機能を与える制御機器；
− 本発明に係る移動検出のための容量性デバイスを備える、車両に組み込むための制御機器；
− 本発明に係る制御デバイスを組み込む高感度壁構造。

他の観点によれば、本発明に係るデバイスを実行する、身体又は物体の動きを感受する制御インタフェースのための方法であって：
− 少なくとも１つの容量センサ内の１つ以上の測定電極を励磁するステップであって、前記測定電極が、（ｉ）検出面に面しているか又は前記検出面と実質的に一致する活性面を含むものとし、（ｉｉ）活性面と実質的に反対側の測定電極の面に少なくとも沿って前記測定電極に近接して配置される、導電材料のガードを備えるものとする、前記ステップと；
− 前記ガードを、測定電極の交流（ＡＣ）電位と実質的に同一の交流電位に励磁するステップと；
− 電極の活性面と前記物体との間の距離情報を与えるために、前記容量センサから発せられる信号を処理するステップと；
を含む前記方法であり、
測定電極が、独立した活性面を有し、そして、互いに独立して問い合わせを受けることを特徴とする、前記方法が提供される。

特定の実施態様において、物体と検出面との間の少なくとも１つの距離を測定するステップと、前記距離測定値を処理して接近情報を与えるステップとを含む、本発明に係る方法であって、前記方法は：
− 物体と検出面との間の接触を測定するステップと；
− 前記接触測定値を処理して接触情報を与えるステップと；
を更に含むことを特徴とする。

当然のことながら、接触は表面の軽いタッチであってもよい。

有利な観点によれば：
− 物体と検出面との間の接触を検出するステップは、測定されたキャパシタンスと少なくとも１つの閾値とを比較することを含むことができ；
− 距離測定値を処理するステップは、少なくとも距離測定値と容量センサの配置に関する知識とから得られる空間内での物体の位置を検出することを含むことができ；
− 接触測定値を処理するステップは、物体と検出面との間の接触を検出した容量センサを特定することを含むことができる。

本発明に係る方法は：
− 物体に起因する検出面の変位を測定するステップと；
− 前記変位測定値を処理して支持情報を与えるステップと；
を更に含むことができる。

有利には：
− 本発明に係る方法は制御を決定するステップを更に含むことができ、前記制御は、少なくとも、接近情報、接触情報、及び、支持情報のうちの少なくともいずれかによって調整される；
− 接触情報及び支持情報のうちのいずれかにより決定される少なくとも１つの制御を接近情報によって調整できる；
− 少なくとも１つの制御を、少なくとも接近情報、接触情報、及び、支持情報のうちのいずれかの時間変化によって調整できる。

このように、本発明に係る方法は、最大で３つの以下の情報レベル：
− 接近情報；
− 接触情報；
− 支持情報；
を考慮に入れることによって制御をもたらすことを可能にする。

当然のことながら、３つの情報レベルが同時に現れる可能性があり、３つの情報レベルを同時に処理することができ、この情報が測定値の時間変化又はそれらの履歴を含むことができる。

非限定的な観点で：
− 接近情報は、例えば、距離、軌跡、１つ以上の物体のそれらの形状からの識別を含むことができる。これらの情報は、例えば、現在の動作モード、すなわち、活性化、選択的照明、手又はスタイラスによる左手又は右手での使用に対するインタフェースの適合等、にインタフェースを適合させるために使用できる；
− 接触情報は、例えば、接触場所、表面上での単純な又は同時の軌跡、単純な又は繰り返しのタッピングを含むことができる。これらの情報は、例えば制御（ボタン）を有効にするため、データを入力する（書き込み）ため、表示をスクロールする、又はズームする等のために使用できる；
− 支持情報は、例えば、１つ以上の軌跡に沿う所定場所の圧力、単純な又は繰り返しの加圧タッピング、及び、圧力継続時間を含むことができる。これらの情報は、例えば、比例制御（速度、強度の調整）、ブロック制御等を行うために使用できる。

接近と接触（又は、軽いタッチ）とを確実に区別することは、幾つかのセキュリティレベルを必要とする用途を対象とするインタフェースにとって重要である。これにより、不適当な動作を防止するために、コマンドが選択されて有効にされなければならない重大なセキュリティ要件を満たすことができる。

有利には、本発明に係る方法及びデバイスにより、選択を非接触にすることができ、それにより、かなりの柔軟性を得ることができる。接近の検出及び解析を使用して、セキュリティファクタにもなり得る制御予測能又は制御準備能をデバイスに与えることもできる。

これらのセキュリティ要件は、特に、医療機器又は車両、特に自動車を対象とするインタフェースにおいて見い出されるものであり、本発明に係るデバイス及び方法は特にこれらに適当である。

当然のことながら、本発明に係るデバイス及び方法は、セキュリティに関連する用途に限定されない。一般に、非限定的な例として以下の用途の可能性について言及することができる：
− 一般的には例えば「３Ｄタッチパネル」、「３Ｄジェスチャコントローラ」、「３Ｄフローティングビジョン」として知られるジェスチャ制御のための拡張三次元制御用途；− 例えば明るさ、空調、シャッタ、ドア開放などの制御を伴うホームオートメーション；
− 洗浄機などの装置のための任意の種類の制御及びプログラミングのための家庭用電気器具；
− 携帯用機器、電話、ＧＰＳ等のユーザインタフェース；
− オフィスＩＴ及びデータ処理機器、コンピュータ等のユーザインタフェース；
− ジェスチャ制御を伴う電子ゲームインタフェース；
− 一般的には軍事分野及び航空におけるものを含めて車両を駆動して車両の機能を制御するためのインタフェース。

更なる他の観点によれば、ユーザの幾つかの検出レベルを備えるグローバルジェスチャインタフェースを形成するために、本発明に係るデバイスを他の非接触検出及び／又は識別手段と関連付けることができる。例えば：
− 測定距離が長い容量センサにより、あるいは、光センサ又は超音波センサにより、例えば車両の搭乗室内にユーザを位置させて、本発明に係るジェスチャインタフェースを事前構成することができる。例えば、幾つかの機能を搭乗者の位置及び数に応じて異なって構成することができ；
− 例えば、カメラ及び画像認識手段を用いて、ユーザの動き及び／又は特徴（性別、衣類、身元、態様、又は、任意の他の特徴）を識別し、ジェスチャインタフェースをユーザのニーズに適合させることができるか、又は、アクセス制御用途のためにユーザの認証レベルに適合させることができる。

従って、本発明に係る制御デバイスを組み込むマルチスケールジェスチャインタフェースであって、光学撮像手段（例えば、３Ｄカメラ）を更に備えることを特徴とする、前記マルチスケールジェスチャインタフェースが提供される。

有利には、これらの光学撮像手段は光学カメラを備えることができる。

更に、マルチスケールジェスチャインタフェースを実施する本発明に係る方法が提供され、前記方法は：
− 光学的撮像によって物体を検出して、画像情報を与えるステップと；
− この画像情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
を更に含むことを特徴とする。

他の観点によれば、本発明に係るデバイスを音声インタフェースと有利に関連付けることができる。従って、本発明に係る制御デバイスを組み込むジェスチャ・音声インタフェースであって、音声によって行われる制御を認識するための手段を備えることを特徴とする、前記ジェスチャ・音声インタフェースが提供される。

更に、音声インタフェースを実施する本発明に係る方法であって：
− 音声認識のステップと；
− この音声情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
を更に含むことを特徴とする、前記方法が提供される。

更なる他の観点によれば、本発明に係るデバイスをマルチスケールジェスチャインタフェースと有利に関連付けることができ、前記マルチスケールジェスチャインタフェースは、グローバル仮想インタフェースを形成するための光学撮像手段と音声認識手段とを含み、それにより幾つかの技術を備える。従って、例えば、マルチスケール制御及び音声ジェスチャ制御を行うことができる。

そのため、本発明に係る制御デバイスを組み込む容量性の光学的な音声マルチスケールジェスチャインタフェースであって、光学的ジェスチャ認識手段と音声実行制御手段とを備えることを特徴とする、前記音声マルチスケールジェスチャインタフェースが提供される。

更に、音声インタフェースを実施する本発明に係る方法であって、
− 光学的撮像によって物体を検出して、画像情報を与えるステップと；
− この画像情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
− 音声認識のステップと；
− この音声情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
を更に含むことを特徴とする、前記方法が提供される。

本発明の更なる利点及び特徴は、非限定的な実施及び実施態様の詳細な説明及び以下の添付図面により明らかになるであろう。
本発明に係るデバイスの一般的な図である。 本発明に係るデバイスを用いた相互作用モードを示す図である。 物体と本発明に係るデバイスとの間の接触を検出するためのモードを示す図である。 デバイスのレンジを高めるための測定電極の模範的な収集を示す図である。 本発明に係るデバイスの模範的な実施態様を示す図である。 本発明に係るデバイスの他の模範的な実施態様及び模範的な相互作用モードを示す図である。 励磁及び処理の電子手段の第１の実施態様を示す図である。 励磁及び処理の電子手段の第２の実施態様を示す図である。

図１を参照すると、本発明に係るデバイスは、両面フレキシブルプリント回路１上に形成される容量センサのアセンブリを備える。測定電極２は、各々が、プリント回路１の面のうちの一方の面にエッチングされ、一方、前記回路の第２の面はガード３を支持する。

それぞれの電極２は、接続トラック６によって励磁及び測定電子機器７に接続される。接続トラック６は、電極と同じプリント回路１の面上にエッチングされる。ガード３も電気接続部５を介して電子機器７に接続され、前記電子機器７はこのガードの電位に基準付けられ、そして、浮いている。デバイスの構造に応じて、電気接続部５，６は同軸ケーブルを備えることができる。

誘電材料１４（例えば、シリコン）のプレートが、電極の活性面と接触するために前記電極２の前方に配置される。

図２を参照すると、手又は指などの物体１１がデバイスに近づくと、容量電極２との電気的な結合が形成される。電極２及びそれらの関連する電子機器７，９は、それらと物体１１との間で確立されるキャパシタンスＣを測定し、それにより、以下の関係：
Ｃ＝ε_０・ε_ｒ・Ｓ／Ｄ
（式中、ε_０は自由空間の誘電率であり、ε_ｒは誘電材料１４又は空気の比誘電率であり、これらの誘電率はそれらが存在する距離で考慮に入れられなければならず、Ｓは良好な状態で指を検出するための例えば１〜２ｃｍ^２オーダーの電極の面積であり、そして、Ｄは測定されるべき距離であるものとする）
によって物体からの距離１３を推定する。

距離Ｄ又はキャパシタンスＣの測定値は、以下：
− 物体１１が近づくときの物体１１からの距離（図２ａ）；
− 距離Ｄと既知の特性を有する誘電材料の厚さＤｃとがほぼ等しい場合に相当する、物体１１と検出面４との間の物理的接触（図２ｂ）；及び
− あるとすれば、距離Ｄが厚さＤｃよりも実質的に小さい場合に相当し、圧力又は力の用語に置き換えることができる、誘電材料１４中への物体１１の押し下げ（図２ｃ）；
を決定するのを可能にする。

物理的接触の検出は、例えば制御作動セキュリティにおいて特に興味深い。この検出は、誘電材料の存在によってかなり向上する。図３は、比誘電率ε_ｒ＝３及び厚さＤｃ＝５ｍｍを有する誘電材料１４の存在下（曲線Ｃ）及びこの材料の不在下（曲線Ｃａ）でそれぞれ、２ｃｍ^２の面積を有する電極２によって測定されるキャパシタンスの変化を、物体１１までの距離Ｄの関数として比較するグラフを示している。材料１４の存在下（曲線Ｃ）では、物体１１が材料の表面に近接するときに測定されるキャパシタンスが急激に増大するのが分かる。

それにより、材料１４が高い比誘電率を有する場合には、接触を高感度で検出できる。この検出は、測定されるキャパシタンスと１つ以上の閾値とを比較することによって有利に行うことができる。

同じ方法で、物体が柔軟な誘電材料１４を押し下げるときには（図２ｃ）、材料の比誘電率が高い場合に、その位置を高感度で測定できる。これにより、比較的小さい変位を測定することによって正確な圧力測定を有利に行うことができる。

本発明に係るデバイスの重大な特徴は、数センチメートルでのあるいは更にはデシメートルでの及び電極に近接しての高精度測定を可能にすることである。この結果は、環境の電磁的障害に対する非常に良好な耐性及び高い感度の両方を達すること可能にする電子的方法の実施のおかげにより達成される。更に、障害に対する耐性の問題は、デジタル制御デバイスの環境では極めて重要である。

本発明で実施される電子機器は、文献ＦＲ２７５６０４８に記載されるフローティングブリッジ測定方法に基づいている。図７は、電子機器の第１の模範的な実施態様を示している。電極２のキャパシタンスは、一般的な接地１０（masse）に対して完全に浮いている態様で、ガード３の電位３４に基準付けられるキャパシタンスメータ７によって測定される。ガード３及び電極２は、測定の同期復調を可能にするために、回路７によって所定の周波数の交流（ＡＣ）電圧で励磁される。浮いている電子機器７は、例えばＤＣ／ＤＣ直流電圧変換器３０によって給電される。復調後の測定信号は、計算手段へ送ることができるように、差動増幅器３３によって一般的な接地に基準付けられる回路９へ転送される。マルチプレクサ３１は電極２に順次に問い合わせできるようにし、一方、不活性電極は電位ガード３４に保持される。

図８は、電子機器の第２の模範的な実施態様を示している。図８の実施態様は、電極２の全てがそれら自体の検出電子機器３５を有し且つ電極２を同時に読み取ることができるという点において、図７の実施態様とは異なっている。

特定の実施態様によれば：
− ＤＣ／ＤＣ変換器３０は、一般的な接地１０に基準付けられる安価な電源と置き換えることができ、そして、チョークコイルによってフローティング回路７に結合することができ；
− 出力差動増幅器３１は、光カプラ又はチョークコイルと置き換えることができる。

実行される電子機器により、０．００１ｐＦのオーダーの精度で、０．００１ｐＦ（ピコファラド）〜数ピコファラドのオーダーのキャパシタンスを測定することができる。

約２ｃｍ^２の面積を有する電極から５０ｍｍに配置される指の位置測定の例を挙げると、測定されたキャパシタンスが約０．０３５ｐＦであると評価することができる。これらの条件下で、及び、この距離で、電子機器の感度は０．７ｐＦ／ｍであり、位置測定の精度は、１０^−３／０．７＝１．４ｍｍ未満である。

指が更に離間されると、力線が山で広がり始めるため、感度が急速に低下する。確かに、選択された電極を取り囲むガードは、多くても検出面４全体を表す。従来の寸法（１００〜２００ｍｍ辺）を有するパネルにおいては、２ｃｍ^２の電極の電気力線が約５０ｍｍの距離を越えて広がる。更に大きい面積を有するパネルを用いると、理論的には１００ｍｍを超えて指を検出することができるが、サイドの分解能が劇的に低下する。

例えば２５００ｍｍ^２の電極面積を得るために電極が集められれば、３００ｍｍを超えて手を非常に容易に検出できる。この距離では、測定されたキャパシタンスは約０．０７３ｐＦである。

これらの性能はフローティングブリッジ技術を使用して達成できる。なぜなら、電子機器が電極２と物体１１との間のキャパシタンスだけを測定するからである。例えば、ＵＳ６８４７３５４の従来技術のデバイスでは、ガードを形成して測定するための回路によりもたらされる浮遊キャパシタンスが１ｐＦよりも高いままであり、ノイズを生じるこの浮遊シフトの安定性は、数十〜数百フェムトファラドのオーダーである。

振幅変調及び復調と共に交流信号の励磁を使用して実施されるフローティングブリッジ技術は、電極２を取り囲んで覆う誘電材料１４のインピーダンス変化を非常に良好に排除できるようにもする。

更に、フローティングブリッジは、電極２と物体１１との間のキャパシタンスの逆数を直接に測定するための機能を有し、それにより、測定されるべき距離１３に直線的に比例する信号を得ることができる。この利点は絶対不可欠である。なぜなら、大きな距離では、キャパシタンスが距離に伴って殆ど変化しない（双曲線の法則）からであり、信号デジタル手段及び電子機器の自然なシフトが測定されるべきキャパシタンスよりも大きいドリフトを意味するからである。

図４を参照すると、大きな距離を隔てる物体を検出できる大きい面積を有する電極を形成するために、例えばマルチプレクサ３１によって容量電極を電子的に集めることができる。図４の例では、電極４０，４１，４２，４３を集めることにより電極４４が形成される。例えば、デバイスがその近傍の物体を検出しないと、デバイスは遠距離検出モードに置かれる（図４ａ）。物体が個々の電極の測定範囲に近づくと、デバイスは、物体の詳細を検出するために最側方分解モード（図４ｂ）に切り換わる。当然のことながら、再構成は、更に複雑となる可能性があり、異なる領域によって検出されるものに局所的に依存する。

特定の実施態様によれば、本発明に係るデバイスは、均一な表面上に配置される正方形マトリクスとは全く異なる電極配置を備えることができる。

例えば、図５では、電極が誘電材料１４下に配置され、誘電材料の検出面４が電気機械スイッチ（例えば、回転ノブ２０又はプッシュボタン２１）の形状を真似ている。「疑似ボタン」には、ユーザの接近及びその後の動作を検出することを可能にする電極２が設けられる。

図６は、柔軟な誘電材料の検出面下に配置された容量電極から形成される半球形状を有するインタフェースを示している。そのようなインタフェースは、例えば、右手又は左手であってもあるいは複数の手であっても、その側方からの手の接近を容易に検出でき（図６ａ）、それにより、１つの指（図６ｂ）又は複数の指（図６ｃ）により行われる制御を解釈できる。

特定の実施態様によれば、容量電極及びガードを透明な導電材料（例えば、ＩＴＯ：インジウムスズドープ酸化物）により形成することができ、それにより、デバイスは略透明であり、例えば観察スクリーン上に配置できる。

当然のことながら、本発明は前述した実施例に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなくこれらの実施例に対して多くの改良をなすことができる。

Claims (23)

1. 身体又は物体の動きを感受する制御インタフェースのためのデバイスであって：
   − 検出面（４）と；
   − 検出面（４）に面しているか又は前記検出面と実質的に一致する活性面を含む測定電極（２）を各々が備えている、少なくとも１つの容量センサと；
   − 測定電極（２）の活性面と１つ以上の物体（１１）との間の距離情報（１３）を与えるために、測定電極（２）を交流（ＡＣ）電位で励磁し、そして、前記容量センサから発せられる信号を処理する電子手段（７，９，１２）と；
   − 活性面と実質的に反対側の測定電極（２）の面に少なくとも沿って前記測定電極（２）に近接して配置される、導電材料のガード（３）であって、測定電極（２）の交流（ＡＣ）電位と実質的に同一の交流電位で励磁される前記ガード（３）と；
   を備える前記デバイスであり、
   測定電極（２）の活性面が互いに独立していること、そして、励磁及び処理のための電子手段（７，９，１２）は、互いに独立して前記測定電極に問い合わせするように更に設定され、
   前記励磁及び処理の電子手段（７，９，１２）は：
   − 測定電極（２）の活性面に対する身体又は物体（１１）の相対的な動きを検出して識別すること；及び
   − 前記身体又は前記物体と検出面（４）との接触を確実に検出すること；
   の両方を可能にする測定範囲及び精度を有することを特徴とする、前記デバイス。
2. 励磁及び処理の電子手段が、少なくとも、ガードの電位に基準付けられる部分（７）にあることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 励磁及び処理の電子手段（７，９）は、容量センサから発せられる測定信号を順次に読み取ることができる精査手段（３１）を備えており、そして、精査されない電極は、ガード（３）の電位に接続されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 励磁及び処理の電子手段は、測定電極（４０，４１，４２，４３）を電気的に集めることができる手段を備え、それにより、集められた前記電極が単一の測定電極（４４）を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 測定電極（２）の活性面側に配置される誘電材料（１４）を更に備えること、そして、電極と反対側の前記誘電材料の表面は検出面（４）を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 誘電材料（１４）が、電極（２）の活性面と実質的に接触するように配置されることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
7. 誘電材料（１４）が、支持力に起因する材料の局所的な薄肉化によって、検出面（４）を測定電極へ向けて実質的に変形させることができる柔軟な材料を備えることを特徴とする、請求項５又は６に記載のデバイス。
8. 誘電材料（１４）は、支持力によって前記支持力の付与点に応じた角度で測定電極に対して移動可能な実質的に硬質プレートを備えることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
9. 検出面（４）が制御手段（２０，２１）を形成するレリーフ形状を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御インタフェースのためのデバイスを組み込むマンマシンインタフェース機能を与える制御機器。
11. 光学撮像手段を更に備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御インタフェースのためのデバイスを組み込むマルチスケールジェスチャインタフェース。
12. 音声認識手段を更に備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御インタフェースのためのデバイスを組み込むマルチスケールジェスチャインタフェース。
13. 光学撮像手段と音声認識手段とを更に備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御インタフェースのためのデバイスを組み込むマルチスケールジェスチャインタフェース。
14. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイスを実行する、身体又は物体の動きを感受するジェスチャインタフェースを制御するための方法であって：
    − 少なくとも１つの容量センサ内の１つ以上の測定電極（２）を交流（ＡＣ）電位で励磁するステップであって、前記測定電極が、（ｉ）検出面（４）に面しているか又は前記検出面と実質的に一致する活性面を含むものとし、（ｉｉ）活性面と実質的に反対側の測定電極（２）の面に少なくとも沿って前記測定電極（２）に近接して配置される、導電材料のガード（３）を備えるものとする、前記ステップと；
    − 前記ガード（３）を、測定電極（２）の交流（ＡＣ）電位と実質的に同一の交流電位に励磁するステップと；
    − 電極（２）の活性面と１つ以上の物体（１１）との間の距離情報（１３）を与えるために、前記容量センサから発せられる信号を処理するステップと；
    を含む前記方法であり、
    測定電極（２）が、独立した活性面を有し、そして、互いに独立して問い合わせを受け、前記励磁及び処理の電子手段（７，９，１２）を用いて、
    − 測定電極（２）の活性面に対する身体又は物体（１１）の相対的な動きを検出して識別するステップと；
    − 前記身体又は前記物体と検出面（４）との接触を確実に検出するステップと：
    を更に含むことを特徴とする、前記方法。
15. 物体（１１）と検出面（４）との間の少なくとも１つの距離を測定するステップと、前記距離測定値を処理して接近情報を与えるステップとを含む、請求項１４に記載の方法であって：
    − 物体（１１）と検出面（４）との間の接触を測定するステップと；
    − 前記接触測定値を処理して接触情報を与えるステップと；
    を更に含むことを特徴とする、前記方法。
16. 距離測定値を処理するステップが、少なくとも距離測定値と容量センサ（２）の配置に関する知識とから得られる空間内での物体（１１）の位置の検出を含むこと、そして、接触測定値を処理するステップが、物体（１１）と検出面（４）との間の接触を検出した容量センサ（２）を特定することを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 物体（１１）に起因する検出面（４）の変位を測定するステップと、前記変位測定値を処理して支持情報を与えるステップとを更に含むことを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 制御を決定するステップを更に含むこと、そして、前記制御は、少なくとも、接近情報、接触情報、及び、支持情報のうちの少なくともいずれかによって調整されることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 接触情報及び支持情報のうちのいずれかにより決定される少なくとも１つの制御が、接近情報によって調整されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも１つの制御は、接近情報、接触情報、及び、支持情報のうちの少なくともいずれかの時間変化によって調整されることを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 請求項１２に記載のマルチスケールジェスチャインタフェースを実行する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法であって：
    − 光学的撮像によって物体を検出して、画像情報を与えるステップと；
    − 前記画像情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
    を更に含むことを特徴とする、前記方法。
22. 請求項１２に記載のジェスチャインタフェースを実行する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法であって：
    − 音声認識のステップと；
    − 前記画像情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
    を更に含むことを特徴とする、前記方法。
23. 請求項１３に記載のジェスチャインタフェースを実行する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の方法であって：
    − 光学的撮像によって物体を検出して、画像情報を与えるステップと；
    − 前記画像情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
    − 音声認識のステップと；
    − 前記音声情報を処理して、１つ以上の制御を決定するステップと；
    を更に含むことを特徴とする、前記方法。